En dag kan specialiserade system spärra cancerpatienter med partiklar för att leverera en fullständig strålbehandling på bara mikrosekunder, tyder ny forskning.
Med hjälp av en framväxande teknik som kallas blixtradioterapi, kan läkare utrota tumörer i en bråkdel av tiden och till en bråkdel av kostnaden för traditionell strålterapi - åtminstone i teorin. Än så länge har den blixtfasta tekniken inte mött formella kliniska prövningar på mänskliga patienter, även om en man fick den experimentella behandlingen, rapporterade forskare i oktober 2019 i tidskriften Radiotherapy and Oncology. Nu har en ny musstudie, publicerad 9 januari i International Journal of Radiation Oncology, Biology and Physics, ytterligare visat löfte om denna cancerterapi.
"Det har samma tumörkontrollfrekvens men betydligt mindre effekt på normal vävnad", säger studiens medförfattare Dr. Keith Cengel, lektor i strålningskonkologi vid sjukhuset vid University of Pennsylvania.
Med andra ord verkar flashtekniken döda tumörcellerna medan man sparar friska vävnader. Tekniken fungerar genom att bombardera tumörstället med en stadig ström av partiklar, vanligtvis ljuspartiklar, kallad fotoner, eller negativt laddade elektroner. Nu har Cengel och hans kollegor kastat en annan partikel i blandningen: den positivt laddade protonen.
"Det är unikt i den meningen att ... det har aldrig gjorts," säger Marie-Catherine Vozenin, chef för strålnings-onkologilaboratoriet vid Lausanne universitetssjukhus i Schweiz, som inte deltog i studien. Det är inte att säga att utplacering av protoner för att bekämpa cancerceller är nödvändigtvis en bättre strategi än att använda fotoner eller elektroner, tillade hon. "Alla dessa olika strategier har vissa fördelar och nackdelar."
Som sagt kan varje partikel vara unikt lämpad att rikta in vissa tumörtyper i specifika fläckar i kroppen, vilket innebär att protoner kan erbjuda det bästa behandlingsalternativet för vissa patienter, sade Cengel.
Tidpunkten är nyckeln
Namnet "blixt" hänvisar helt enkelt till den ultrahastiga hastigheten med vilken tekniken levererar strålning till målvävnader. Flash pummlar celler med samma totala strålmängd som befintliga terapier gör, men snarare än att administrera dosen under flera veckor i minuter långa sessioner, varar hela behandlingen bara en tiondel av en sekund, sade Vozenin.
"Om vi kan gå till hundratals sekund, är det ännu bättre", tillade hon.
Hastigheten gör hela skillnaden. Vid konventionell strålterapi kan en patient genomgå dussintals behandlingssessioner, under vilken tid friska vävnader kan skadas långt innan tumörcellerna försvinner. Men när samma dos av strålning levereras snabbare, som med blixt, förblir friska vävnader oskadade. Exakt varför det händer förblir ett mysterium.
"Det är frågan om miljoner dollar ... vi arbetar hårt för att försöka förstå det," sade Vozenin. Forskning antyder att den flyktiga strålningen kan orsaka ett dopp i syrehalterna i de friska vävnaderna, som vanligtvis innehåller mycket mer syre än cancerceller. Tumörer motstår traditionell strålterapi, delvis tack vare sin brist på syre, så att den tillfälliga effekten som uppstått av blixt kan stärka friska celler mot skador, samt minska produktionen av skadliga fria radikaler, enligt en rapport från 2019 i tidskriften Clinical Oncology.
Men detta bevis förklarar inte varför cancerceller reagerar annorlunda än friska celler på behandlingen; fler mekanismer är troligt att spela, sade Vozenin.
Oavsett varför det fungerar verkar blixtstrålning lovande i preliminära studier, även om tekniken har begränsningar. Fotoner kan användas för att rikta tumörer i kroppen, men maskinerna som skjuter på partiklarna kan ännu inte skjuta tillräckligt snabbt för att uppnå den nödvändiga doshastigheten. Elektroner med hög energi kan tränga igenom vävnader för att nå djupt sittande tumörer men är tekniskt svåra att generera. Lågenergielektroner erbjuder ett annat alternativ, men dessa kan genomträngas endast cirka 5 cm till 6 centimeter kött, sade Cengel.
Medan lågenergielektroner kan ta hand om ytliga tumörer, teoretiserade Cengel och hans kollegor att protoner kan vara bättre lämpade för att rikta cancerceller som ligger djupare i kroppen. För att testa sin idé var de tvungna att bygga rätt verktyg för jobbet.
Testa
Teamet använde en befintlig protonaccelerator, känd som en cyklotron, för att köra experimenten, men gjorde ett antal modifieringar. Tricket var att höja hastigheten med vilken protonerna kunde avfyras från maskinen samtidigt som man utvecklade strategier för att övervaka var protonerna landade och i vilken mängd. Med den här infrastrukturen på plats kunde teamet bättre kontrollera strömmen av protoner som flyter från cyklotronen, "som en kran som du kan sätta på full sprängning eller droppa," sade Cengel.
Teamet riktade sedan sin cyklotron mot modellmöss. Inducerade tumörer växte i djuren i bukspottkörteln och längs deras övre tarmar, så forskarna skickade en enda strålningspuls genom gnagarnas bukhålor. Blixten varade mellan 100 och 200 millisekunder, och genom att fodra upp många protonstrålar bredvid varandra, som okokt spagetti i ett tätt rör, slog teamet hela bukhålan i ett skott.
Som förväntat förhindrade behandlingen tumörtillväxt och vävnadens ärrbildning som vanligen är resultatet av cancer, medan den närliggande friska vävnaden lämnas oskadd. "Detta är det första oåterkalleliga beviset på en" blixt "-effekt in vivo med tunntarmen som mål med protoner istället för fotoner eller ... elektroner," Vincent Favaudon, forskningsdirektör vid Institut Curie i Paris som inte var inblandad i studie, berättade Live Science i ett e-postmeddelande.
Samtidigt som studien var framgångsrik genomfördes i möss, "och i små volymer, vilket inte är fallet hos patienter," sade Vozenin. Med andra ord, i sin nuvarande form kan protonblixttekniken bara behandla ett litet vävnadsområde på en gång. Tekniken måste skalas upp betydligt innan den är redo att testas i större djur, och så småningom människor, sade hon.
"Den huvudsakliga begränsningen ligger i doshastigheten", tillade Favaudon. Forskning tyder på att friska vävnader börjar bli skadade om de utsätts för blixtstrålning i mer än 100 millisekunder, sade han. "Att leverera dosen i en puls med en mikrosekund är alltid bättre. Så utmaningen är att öka doshastigheten med en faktor på två till fem eller till och med."
Cengel och hans kollegor planerar att fortsätta optimera sina verktyg och tekniker medan de arbetar för att bestämma vilken doshastighet som ger den mest terapeutiska fördelen. På detta sätt skulle teamet genomföra en klinisk prövning av sortering men med djur som de första patienterna. Under tiden kommer Vozenin och hennes kollegor snart att starta de första kliniska prövningarna på mänskliga patienter för att testa sina egna flashtekniker. Med elektroner med låg energi syftar de till att behandla ytliga tumörer, såsom de som ses i hudcancer.
"Om vi kan validera blixtkonceptet i stora volymer och i kliniska applikationer, kommer det förmodligen att förändra all strålterapi," sade Vozenin. Hon sa att hon förväntar sig att någon version av blixtstrålning kan vara allmänt tillgänglig för cancerpatienter inom de kommande tio åren. Favaudon sa att behandlingar som riktar sig till yttumörer, såväl som de som utsätts genom operation, kan vara redo inom två år. Tekniker som använder högenergi-elektroner och protonstrålar kan vara färdiga inom fem till tio år, sade han.
Förutsatt att blixt väder vägen till riktiga mänskliga patienter, kan tekniken tillåta läkare att rikta tumörer som en gång trotsat behandling med strålning, sa Cengel.
"Vi kunde bokstavligen behandla saker som inte är möjliga att behandla och bota människor som inte är möjliga att bota," sade han. "Självklart, stort saltkorn på allt detta."
